中国粉体网讯 碳纳米管特殊的结构赋予其优良的物理化学特性，在力学、电子、光学、热力学及高温抗氧化等众多领域具有广阔地应用前景。近年来，尽管碳纳米管的合成技术突飞猛进的发展，但是仍存在不足，如合成碳纳米管的管径、层数、长度、螺旋性（手性）及石墨化程度存在差异，限制其进一步应用。
目前，碳纳米管合成方法主要有化学气相沉积、聚合反应合成法、电弧放电法（物理气相沉积）与激光烧蚀法。其中，化学气相沉积法合成的碳纳米管石墨化程度远低于电弧放电法、激光烧蚀法等高温方法。激光烧蚀法的成本高于电弧放电法。因而一定程度上在制备高度石墨化程度的碳纳米管，尤其是高结晶单壁碳纳米管，电弧放电法具有明显优势。
电弧放电法是制备纳米材料常用的方法之一。在采用电弧法制备纳米材料过程中，随着电流增加，极间电压减小，弧柱电位梯度降低；弧柱电流密度升高，且极斑电流密度更高。最早采用电弧法制备的碳纳米材料是富勒烯。由于该方法所制备的碳纳米材料的缺陷少、纯度高，逐渐被用来制备碳纳米管、碳纳米角、石墨烯等碳纳米材料。其反应装置示意图如下：
电弧放电制备单壁碳纳米管的装置示意图
电弧放电法制备过程为：反应容器内充入反应气体（如氦气或氩气），石墨置于反应容器内，在内部通过电弧作用生产碳纳米管，其电弧温度最高可达到4000℃上下，制备得到产物碳纳米管。通过改变反应过程中催化剂和反应容器内充入气体含量，可间接控制产物的比例。
根据引弧介质不同，电弧法可分为真空电弧放电与溶液电弧放电。溶液电弧放电法产量很低，因此尚未得到推广；而真空电弧放电法具有合成设备简单、操作便捷、产物品质高等优势，但具体生长机理尚存较大争议。
电弧法的影响参数主要包括电源类型、引弧气体类型与压力以及催化剂体系，这些参数综合在一起对最终生长的碳纳米管纯度与质量产生重要影响。
阴阳极外接的电源直接控制着电弧的电流和电压，决定阴阳极间电场强度分布（能量分布），而能量分布会影响电弧等离子体的温度。实验表明，采用直流电源，气态碳向阴极漂移时会阻碍自身在阴极的连续沉积，而交流电源与脉冲直流电源不会。然而交流电源生长碳纳米管时间只占一半，这大幅降低其生产效率。
电弧放电的本质是通过气态带电粒子导电完成传质传热。不同的反应气氛对碳纳米管的生长具有重要影响。引弧气体的选择主要取决于电离式、导热性以及导电性。目前，最常用的引弧气体主要是氢气、氮气、氦气与氩气。其中，氢气导热性最高，且对碳纳米管生长的淬火效果最佳。
直流电弧法中采用不同引弧气体合成碳纳米材料的反应机理图
此外，引弧气体的压力对碳纳米管的制备也十分关键。在电弧放电制备碳纳米管过程中，引弧气体压力既为气体分子提供能量，又为离子流动设置壁垒以确保其稳定性。实验表明，生长碳纳米管的最佳气压介于40kPa～93.3kPa之间：当反应炉内气压低于40kPa时，较低的离子浓度导致电弧等离子体稳定性下降，从而使碳纳米管的产率大幅降低；一旦反应炉内气压过高，高离子浓度阻碍气态碳从阳极向阴极沉积，降低碳纳米管产率。
参考资料：
阮超，电弧放电法制备碳纳米管研究进展
于红刚，磁场辅助电弧放电法制备单壁碳纳米管
何燕，电弧法分散碳纳米管中不同金属电极的实验性研究
敬成伟，基于电弧作用下碳纳米管分散方法研究
叶凯，直流电弧等离子体法制备纳米材料的研究进展
（中国粉体网编辑整理/江岸）
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